[Unix/Linux Programming] Buffered I/O vs Unbuffered I/O

SEE HERE: Stackoverflow: buffered I/O vs unbuffered IO

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Buffered I/O and non-buffered I/O

http://xiaomeng.yo2.cn/articles/tag/direct-io


实验需要对Flash Disk做无系统缓冲的I/O操作，顺便了解了一下Linux下的I/O.

Linux上的块设备的操作可以分为两类：

第一类是使用C标准库中的fopen/fread/fwrite 系列的函数，我们可以称其为 buffered I/O。

具体的I/O path如下

Application<->Library Buffer<->Operation System Cache<->File System/Volume Manager<->Device



library buffer是标准库提供的用户空间的buffer，可以通过setvbuf改变其大小。

第二类是使用Linux的系统调用的open/read/write 系列的函数，我们可以称其为 non-buffered I/O。

I/O Path

Application<-> Operation System Cache <->File System/Volume Manager<->Device

此外，我们可以通过设置open的O_DIRECT标志来实现Direct I/O（或者叫Raw I/O）,即绕过OS Cache,直接读取Device ( that's
what we want^o^ ), 等于将OS cache换成自己管理的cache。不过，Linus在邮件列表中建议不这么做，而是使用posix_fadvice, madvice。[2]中表明Direct
I/O比buffered I/O的性能高很多。

在使用O_DIRECT的注意buffer的address必须是block alignment的(i.e. 初始地址必须是boundary), 可以用posix_memalign()函数分配内存以得到这样的buffer。至于为什么要这样，与实现的mmap有关，参见[5].

参考:

Linux: Accessing Files With O_DIRECT http://kerneltrap.org/node/7563
Andrea Arcangeli , O_DIRECT Whitepaperhttp://www.ukuug.org/events/linux2001/papers/html/AArcangeli-o_direct.html
A Trip Down the Data Path: I/O and Performancehttp://articles.directorym.net/_A_Trip_Down_the_Data_Path_IO_and_Performance-a894569.html
Operating Systems System Calls and I/Ohttp://articles.directorym.net/Operating_Systems_System_Calls_and_IO-a894576.html
Linux Device Drivers, 2nd Edition, Chapter 13 mmap and DMAhttp://www.xml.com/ldd/chapter/book/ch13.html
http://topic.csdn.net/u/20080806/10/cdb1faa1-0146-4e96-8b12-26ba60acdbb5.html
http://lists.alioth.debian.org/pipermail/parted-devel/2007-July/thread.html#1855
Read系统调用剖析, http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-

另外推荐一篇不错的文章：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-async/

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http://zishen.blogspot.com/2011/03/buffered-io-unbuffered-io.html

簡單來說，

Buffered I/O 讀寫的資料都會經過 Cache Manager，會暫存一份在 Memory 當中，然後會根據作業系統決定寫回硬碟的時機（如果用 Write Through，還是可以自行控制）。此模式適合常讀寫檔案，因為可以快速的從 Memory 讀寫。

(想想 L1, L2 cache 之於 RAM 的關係。)

Unbuffered I/O 讀寫的資料不會經過 Cache Manager，而是直接對硬碟讀寫。因此也不會因為大量讀寫資料造成 Cache Trashing。

以下是我的推測，不代表真實測試結果。XD

Installer 的檔案複製可能就適合 Unbuffered I/O，因為 Buffered I/O 可能會造成大量的 Cache Trashing。

當有大量的 Cache Trashing 發生時，可能也會影響到 Unbuffered I/O 的效能。因為 Cache Manager 會對硬碟做大量讀寫，這個行為可能會和 Unbuffered I/O 產生 Resource Contention。

參考資料：

"Slow Large File Copy Issues" by Ask the Performance Team

Asynchronous Disk I/O Appears as Synchronous on Windows NT, Windows 2000, and Windows XP

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Quote:

Originally Posted by netrak What is the difference between buffered and unbuffered I/O and can anybody show me a sample C code using both buffered and unbuffered I/0 and pointing out the difference. I have looked through many resources and I don't know where to start.Thanks.

Buffered I/O reads blocks of data at once. Unbuffered I/O reads a byte at a time. Buffered I/O is faster for large transactions, unbuffered I/O is more appropriate to interactive transactions like telnet etc..

Try Google for more information:

Google: "BUffered I/O"
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-- Paul at http://arachnoid.com